CN107014482B - 振动状态的在线监测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种振动状态的在线监测装置和方法，用于解决现有用于流量计的校验诊断的仪表电子器件与方法实时性差的技术问题。技术方案是所述装置包括信号采集单元、采样控制单元和信号处理单元。所述信号采集单元包括加速度计、电荷放大器、数据采集板卡以及USB接口，负责完成对流量计外壳体上振动信号的采集；所述采样控制单元包括底层驱动和采样参数设置用户接口，负责完成对信号采集单元的交互控制；所述信号处理单元包括信号显示模块和诊断模块，信号显示模块用于振动信号的显示，诊断模块用于振动信号的分析以及流量计结构变化情况的判断。本发明在流量计工作过程中对其结构状态进行监测，有效地提高了生产效率。

Description

振动状态的在线监测装置和方法
技术领域
本发明涉及一种振动状态的在线监测装置，还涉及一种基于该装置的在线监测方法。
背景技术
科氏质量流量计是一种能够直接测量液体质量流量的仪表，具有精度高、量程宽等众多优点，在石油化工等领域应用广泛。科氏质量流量计的主要活动部件为振动管，振动管在驱动力作用下往复振动，流体流经振动管，产生科氏效应从而检测质量流量。在被测流体冲刷等因素作用下，振动管的结构将发生改变，测量精度降低。
参照图4。文献“申请公布号为CN103913382A的中国发明专利”提供了一种用于流量计的校验诊断的仪表电子器件与方法。所述器件包括接口模块与处理***。所述方法中接口模块用于接受流量计的振动响应，处理***用于处理来自接口模块的信号，处理***根据振动响应解算得到刚度参数，并根据刚度参数的变化情况判断流量计结构是否改变。该方法的一个不足之处在于，实施过程中需要在流量计非工作状态下进行，对生产效率造成影响。
发明内容
为了克服现有用于流量计的校验诊断的仪表电子器件与方法实时性差的不足，本发明提供一种振动状态的在线监测装置和方法。所述装置包括信号采集单元、采样控制单元和信号处理单元。所述信号采集单元包括加速度计、电荷放大器、数据采集板卡以及USB接口，负责完成对流量计外壳体上振动信号的采集；所述采样控制单元包括底层驱动和采样参数设置用户接口，负责完成对信号采集单元的交互控制；所述信号处理单元包括信号显示模块和诊断模块，信号显示模块用于振动信号的显示，诊断模块用于振动信号的分析以及流量计结构变化情况的判断。本发明在流量计工作过程中对其结构状态进行监测，有效地提高了生产效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种振动状态的在线监测装置，其特点是：包括信号采集单元、采样控制单元和信号处理单元。所述的信号采集单元由加速度计、电荷放大器、数据采集板卡以及USB接口组成。所述的加速度计布置在外壳体1上，将振动信号转换成电荷信号，电荷放大器将电荷信号调理成电压信号，并通过数据采集板卡转变为数字信号，最终通过USB接口传输给采样控制单元的工控机，完成流量计外壳体1上振动信号的采集工作。所述的采样控制单元由底层驱动和采样参数设置用户接口组成。底层驱动工作在工控机上，实现与信号采集单元的通信功能，提供底层通信接口。采样参数设置用户接口基于所述底层通信接口，根据用户的需求，完成对信号采集单元采样过程的控制。所述的信号处理单元由信号显示模块和诊断模块组成。信号显示模块工作在工控机上，读取内存缓冲区中的采样数据，存入用户缓冲区中，并实时显示用户缓冲区中的波形数据。诊断模块对用户缓冲区中的数据进行处理与分析，返回流量计结构状态的诊断结果。
一种基于上述装置的在线监测方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、确认流量计初始状态。
完成流量计在工作现场的安装，保证其工作性能满足要求，测量精度达到指定值，将此刻流量计的状态作为初始状态。
步骤二、获取初始振动状态特征。
布置加速度计。将第一至四加速度计5、6、7、8固定在外壳体1的平面上，与管道中心线短距为5cm。
通过采样控制单元启动信号采样。初始状态下，流量为qm0，采集点P1处的振动信号为x1(t)。被测试对象固有频率为f0，采样频率取fs＝20f0，采样周期为T＝1/fs，每次参与数据处理的样本数为N＝200。振动信号通过采样后转变为离散量(x1(0),x1(T),x1(2T)……x1((N-1)T))。
通过信号处理单元对振动信号进行处理。信号处理过程包括快速傅里叶变换、干扰去除和振动特征提取。所述的快速傅里叶变换将振动信号的时域离散序列(x1(0),x1(T),x1(2T)……x1((N-1)T))变换为频域离散序列(X1(0),X1(1),X1(2)……X1(N-1))；所述干扰去除，包括将频域离散序列中每个元素与阈值Xh比较，小于阈值的元素置零，大于阈值的元素保留，得到有效频域离散序列(0,0…0,X1(k),0…0,X1(N-1-k),0…0)；所述振动特征提取，指振动信号频率值、振幅的计算，包括检索频域序列(0,0…0,X1(k),0…0,X1(N-1-k),0…0)非零成分的索引值，检索范围0～N/2，得到索引值k，对应的频率成分频率值为
Figure BDA0001257035450000021
幅值为
Figure BDA0001257035450000022
重复以上步骤，获得其他三个采样点的振动信号，得到初始振动状态，记作
Figure BDA0001257035450000031
步骤三、获取当前振动状态。
当前流量值为q′m，调节当前流量值，使得q′m＝qm0，重复步骤二中的操作，获取当前振动状态，记作
Figure BDA0001257035450000032
步骤四、对比当前与初始振动状态差异。
量化当前振动状态S0与初始振动状态S′之间的差异：
Figure BDA0001257035450000033
根据试验经验得到差异容许上限σthresh，当σ<σthresh，认为当前状态与初始状态的振动特征一致，流量计振动状态正常，振动管4无结构上的损伤或者结构变化在容许范围内；当σ>σthresh，则认为当前状态与初始状态振动特征的差异超过容许极限，流量计振动状态异常，振动管4在流体作用下发生了结构变化。
本发明的有益效果是：所述装置包括信号采集单元、采样控制单元和信号处理单元。所述信号采集单元包括加速度计、电荷放大器、数据采集板卡以及USB接口，负责完成对流量计外壳体上振动信号的采集；所述采样控制单元包括底层驱动和采样参数设置用户接口，负责完成对信号采集单元的交互控制；所述信号处理单元包括信号显示模块和诊断模块，信号显示模块用于振动信号的显示，诊断模块用于振动信号的分析以及流量计结构变化情况的判断。本发明在流量计工作过程中对其结构状态进行监测，有效地提高了生产效率。
以下结合附图和实施例详细说明本发明。
附图说明
图1是本发明振动状态的在线监测装置的框图。
图2是本发明振动状态的在线监测方法的流程图。
图3是本发明实施例中科氏质量流量计的三视图。
图4是背景技术用于流量计的校验诊断的仪表电子器件的***框图。
图中，1-外壳体，2-第一减振板，3-第二减振板，4-振动管，5-第一加速度计，6-第二加速度计，7-第三加速度计，8-第四加速度计。
具体实施方式
以下实施例参照图1-3。
本发明振动状态的在线监测装置包括信号采集单元、采样控制单元和信号处理单元。所述的信号采集单元由加速度计、电荷放大器、数据采集板卡以及USB通信接口组成。其中，加速度计布置在外壳体1上，将振动信号转换成电荷信号，电荷放大器将电荷信号调理成电压信号，并通过数据采集板卡转变为数字信号，最终通过USB通信接口传输给工控机，完成流量计外壳体1上振动信号的采集工作。
采样控制单元由底层驱动程序和采样参数设置用户接口组成。底层驱动程序工作在工控机上，实现与信号采集单元的通信功能，提供底层通信接口。采样参数设置用户接口基于所述底层通信接口，根据用户的需求，完成对信号采集单元采样过程的控制。
信号处理单元由信号显示模块和诊断模块组成。信号显示模块工作在工控机上，读取内存缓冲区中的采样数据，存入用户缓冲区中，并实时显示用户缓冲区中的波形数据。诊断模块对用户缓冲区中的数据进行处理与分析，返回流量计结构状态的诊断结果。
本发明振动状态的在线监测方法包括四个步骤，分别为确认初始状态、获取初始振动状态、获取当前振动状态、对比当前与初始振动状态差异。
步骤一：确认流量计初始状态。
完成流量计在工作现场的安装，保证其工作性能满足要求、测量精度达到指定值，将此刻流量计的状态作为初始状态。
步骤二：获取初始振动状态特征。
布置加速度计。将第一至四加速度计5、6、7、8固定在外壳体1的平面上，与管道中心线短距为5cm。
通过采样控制单元启动信号采样。以采集点1的振动信号采集为例，初始状态下，流量为qm0，采集点P1处的振动信号为x1(t)。被测试对象固有频率为f0，采样频率取fs＝20f0，采样周期为T＝1/fs，每次参与数据处理的样本数为N＝200。振动信号通过采样后转变为离散量(x1(0),x1(T),x1(2T)……x1((N-1)T))。
通过信号处理单元对振动信号进行处理。信号处理过程包括快速傅里叶变换、干扰去除、振动特征提取。所述快速傅里叶变换将振动信号的时域离散序列(x1(0),x1(T),x1(2T)……x1((N-1)T))变换为频域离散序列(X1(0),X1(1),X1(2)……X1(N-1))；所述干扰去除，包括将频域离散序列中每个元素与阈值Xh比较，小于阈值的元素置零，大于阈值的元素保留，得到有效频域离散序列(0,0…0,X1(k),0…0,X1(N-1-k),0…0)；所述振动特征提取，指振动信号频率值、振幅的计算，包括检索频域序列(0,0…0,X1(k),0…0,X1(N-1-k),0…0)非零成分的索引值，检索范围0～N/2，得到索引值k，对应的频率成分频率值为
Figure BDA0001257035450000051
幅值为
Figure BDA0001257035450000052
重复以上步骤，获得其他三个采样点的振动信号，得到初始振动状态，记作：
Figure BDA0001257035450000053
步骤三：获取当前振动状态。
当前流量值为q′m，调节当前流量值，使得q′m＝qm0，重复步骤二中的操作，获取当前振动状态，记作
Figure BDA0001257035450000054
步骤四：对比当前与初始振动状态差异。
量化当前振动状态S0与初始振动状态S′之间的差异：
Figure BDA0001257035450000055
根据试验经验得到差异容许上限σthresh，当σ<σthresh，认为当前状态与初始状态的振动特征一致，流量计振动状态正常，振动管4无结构上的损伤或者结构变化在容许范围内；当σ>σthresh，则认为当前状态与初始状态振动特征的差异超过容许极限，流量计振动状态异常，振动管4在流体作用下发生了不容忽视的结构变化。

Claims (1)

1.一种振动状态的在线监测方法，所用装置包括信号采集单元、采样控制单元和信号处理单元；所述的信号采集单元由加速度计、电荷放大器、数据采集板卡以及USB接口组成；所述的加速度计布置在流量计外壳体(1)上，将振动信号转换成电荷信号，电荷放大器将电荷信号调理成电压信号，并通过数据采集板卡转变为数字信号，最终通过USB接口传输给采样控制单元的工控机，完成流量计外壳体(1)上振动信号的采集工作；所述的采样控制单元由底层驱动和采样参数设置用户接口组成；底层驱动工作在工控机上，实现与信号采集单元的通信功能，提供底层通信接口；采样参数设置用户接口基于所述底层通信接口，根据用户的需求，完成对信号采集单元采样过程的控制；所述的信号处理单元由信号显示模块和诊断模块组成；信号显示模块工作在工控机上，读取内存缓冲区中的采样数据，存入用户缓冲区中，并实时显示用户缓冲区中的波形数据；诊断模块对用户缓冲区中的数据进行处理与分析，返回流量计结构状态的诊断结果，其特征在于监测方法包括以下步骤：
步骤一、确认流量计初始状态；
完成流量计在工作现场的安装，保证其工作性能满足要求，测量精度达到指定值，将此刻流量计的状态作为初始状态；
步骤二、获取初始振动状态特征；
布置加速度计；将第一至四加速度计(5、6、7、8)固定在流量计外壳体(1)的平面上，与管道中心线短距为5cm；
通过采样控制单元启动信号采样；初始状态下，流量为qm0，采集点P1处的振动信号为x1(t)；被测试对象固有频率为f0，采样频率取fs＝20f0，采样周期为T＝1/fs，每次参与数据处理的样本数为N＝200；振动信号通过采样后转变为时域离散序列(x1(0),x1(T),x1(2T)……x1((N-1)T))；
通过信号处理单元对振动信号进行处理；信号处理过程包括快速傅里叶变换、干扰去除和振动特征提取；所述的快速傅里叶变换将振动信号的时域离散序列(x1(0),x1(T),x1(2T)……x1((N-1)T))变换为频域离散序列(X1(0),X1(1),X1(2)……X1(N-1))；所述干扰去除，包括将频域离散序列中每个元素与阈值Xh比较，小于阈值的元素置零，大于阈值的元素保留，得到有效频域离散序列(0,0…0,X1(k),0…0,X1(N-1-k),0…0)；所述振动特征提取，指振动信号频率值、振幅的计算，包括检索有效频域离散序列(0,0…0,X1(k),0…0,X1(N-1-k),0…0)非零成分的索引值，检索范围0～N/2，得到索引值k，对应的频率成分频率值为
Figure FDA0002292974900000021
幅值为
Figure FDA0002292974900000022
重复以上步骤，获得其他三个采样点的振动信号，得到初始振动状态，记作
Figure FDA0002292974900000023
步骤三、获取当前振动状态；
当前流量值为q′m，调节当前流量值，使得q′m＝qm0，重复步骤二中的操作，获取当前振动状态，记作
Figure FDA0002292974900000024
步骤四、对比当前与初始振动状态差异；
量化当前振动状态S0与初始振动状态S′之间的差异：
Figure FDA0002292974900000025
根据试验经验得到差异容许上限σthresh，当σ<σthresh，认为当前状态与初始状态的振动特征一致，流量计振动状态正常，振动管(4)无结构上的损伤或者结构变化在容许范围内；当σ>σthresh，则认为当前状态与初始状态振动特征的差异超过容许极限，流量计振动状态异常，振动管(4)在流体作用下发生了结构变化。
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